JP6260145B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、熱処理工程を有する半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a heat treatment step and a semiconductor device.
近年、パワー半導体装置の分野で、窒化物系半導体、例えば窒化ガリウム(GaN)系半導体といったワイドバンドギャップ半導体を用いた製品の研究開発が活発になされており、既に実用化も始まっている。ワイドバンドギャップ半導体が従来使われているシリコン(Si)と比べて優れている点として、高耐圧な半導体装置を低オン抵抗で作ることができること、高温動作が可能なことが周知されている。このような利点から、窒化物系半導体はSi系材料に代わるインバータやコンバータなどのパワーデバイスの材料として期待されている。 In recent years, in the field of power semiconductor devices, research and development of products using a wide band gap semiconductor such as a nitride-based semiconductor, for example, a gallium nitride (GaN) -based semiconductor, has been actively carried out and has already been put into practical use. It is well known that a wide bandgap semiconductor is superior to silicon (Si) that has been used in the past, that a high-breakdown-voltage semiconductor device can be made with low on-resistance and that high-temperature operation is possible. Because of these advantages, nitride-based semiconductors are expected as materials for power devices such as inverters and converters that replace Si-based materials.
この窒化物系半導体を用いて製造される窒化物系半導体装置の製造プロセスにおいては、イオン注入を行った後に、結晶回復や不純物の活性化のための高温での熱処理、すなわち活性化アニールが必要になる。ところが、GaN系半導体などの窒化物系半導体に対して活性化アニールを行う場合に、加熱温度を800℃以上にすると、窒化物系半導体から組成物である窒素(N)が抜ける、いわゆる窒素抜けが発生して分解が始まる。 In the manufacturing process of a nitride semiconductor device manufactured using this nitride semiconductor, a heat treatment at a high temperature for crystal recovery and impurity activation, that is, activation annealing is required after ion implantation. become. However, when activation annealing is performed on a nitride-based semiconductor such as a GaN-based semiconductor, when the heating temperature is set to 800 ° C. or higher, nitrogen (N) as a composition is released from the nitride-based semiconductor, so-called nitrogen release. Occurs and decomposition begins.
これに対し、従来、窒化物系半導体層の上層に、スパッタリング法により耐熱性のより高い材料からなる保護膜(キャップ層)を形成した後に活性化アニールを行う方法が知られている。また、特許文献1,2および非特許文献1には、保護膜としてAlN層を用い、表面保護を行いつつ窒素中で熱処理を行う方法が開示されている。
On the other hand, conventionally, a method is known in which activation annealing is performed after a protective film (cap layer) made of a material having higher heat resistance is formed on the nitride-based semiconductor layer by sputtering.
また、イオン注入などの不純物ドープ後の活性化アニールにおいては、半導体層を構成する材料の融点に対して、その2/3程度の温度での加熱が必要とされている。具体的に、半導体材料としてGaNなどの窒化物系半導体を用いる場合には、加熱温度として1500〜1700℃程度が予想されている。 Further, in activation annealing after impurity doping such as ion implantation, heating at a temperature about 2/3 of the melting point of the material constituting the semiconductor layer is required. Specifically, when a nitride semiconductor such as GaN is used as the semiconductor material, a heating temperature of about 1500 to 1700 ° C. is expected.
ところが、このような高温度域においては、AlN層を保護膜として用いても、AlN層においてピットが発生したり分解したりすることから、保護膜として機能しないことが報告されている(例えば非特許文献2,3参照)。例えば、非特許文献2には、高温領域としての1500℃以下の温度での加熱を実施した例として、1400℃以上の温度での加熱によってAlN層にピットが発生することが報告されている。このように、熱処理時に保護膜として用いるAlN層にピットが発生すると、このピットから下層の窒化物系半導体層を構成する窒素が放出される可能性が高くなる。
However, it has been reported that in such a high temperature range, even if an AlN layer is used as a protective film, pits are generated or decomposed in the AlN layer, so that it does not function as a protective film (for example, non-protective film). (See
さらに、高温の活性化アニールに対して、窒化物系半導体層の上層の保護膜として、スパッタリング法により形成されたAlN層などの窒化物系半導体層を用いても、熱処理時における下層の窒化物系半導体層からの窒素抜けを抑制するのが困難であった。この原因は、本発明者の知見によれば、スパッタリング法により形成した窒化物系半導体層の膜質が粗いことに起因している。そこで、本発明者は、エピタキシャル成長法によって膜質を緻密にした保護膜を形成することにより、窒素抜けを抑制する方法を想起した。 Furthermore, even when a nitride-based semiconductor layer such as an AlN layer formed by sputtering is used as a protective film for the upper layer of the nitride-based semiconductor layer against high-temperature activation annealing, the lower-layer nitride during the heat treatment It was difficult to suppress nitrogen escape from the semiconductor layer. According to the knowledge of the present inventor, this cause is due to the poor film quality of the nitride-based semiconductor layer formed by the sputtering method. Therefore, the present inventor has conceived a method for suppressing nitrogen escape by forming a protective film having a dense film quality by an epitaxial growth method.
ところが、窒化物系半導体層の上層に保護膜としてのAlN層などの窒化物系半導体層を、エピタキシャル成長法により膜質を緻密にしつつ形成する場合、その膜厚を大きくするとクラックが生じる場合があった。そのため、保護膜の膜厚としては、高々4nm程度から10nm程度が限界であり、薄い保護膜しか形成することができず、窒素抜けの抑制効果が十分得られない場合があった。 However, when a nitride-based semiconductor layer such as an AlN layer as a protective film is formed on the nitride-based semiconductor layer with a dense film quality by an epitaxial growth method, cracks may occur when the film thickness is increased. . For this reason, the thickness of the protective film is limited to about 4 nm to 10 nm at the maximum, and only a thin protective film can be formed, and there are cases where the effect of suppressing nitrogen loss cannot be obtained sufficiently.
これらのことから、従来技術においては、活性化アニールの温度としては1300℃程度が限界であった。ところが、イオン注入などの不純物ドープ後に活性化アニールを行った場合、1300℃程度の加熱温度では、半導体層において十分な不純物の活性化および結晶性の回復が困難になる。そのため、従来技術においては、例えば製造される半導体装置におけるキャリア移動度の低下が問題となる。また、特にイオン注入によってp型領域を形成する場合には、欠陥によって発生するn型キャリアの補償効果によって、注入した不純物の量に対して十分なp型キャリア濃度を得ることができないという問題があった。 For these reasons, in the prior art, the activation annealing temperature is limited to about 1300 ° C. However, when activation annealing is performed after impurity doping such as ion implantation, at a heating temperature of about 1300 ° C., it is difficult to sufficiently activate impurities and restore crystallinity in the semiconductor layer. Therefore, in the prior art, for example, a decrease in carrier mobility in a manufactured semiconductor device becomes a problem. In particular, when a p-type region is formed by ion implantation, there is a problem that a sufficient p-type carrier concentration cannot be obtained with respect to the amount of implanted impurities due to the compensation effect of n-type carriers generated by defects. there were.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、高温での熱処理を、半導体装置を構成する窒化物系半導体層からの窒素抜けを防止しつつ安定してかつ効果的に行うことができる半導体装置の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to stably and effectively perform heat treatment at a high temperature while preventing nitrogen desorption from the nitride-based semiconductor layer constituting the semiconductor device. is to provide a manufacturing how a semiconductor device capable of performing.
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、窒化物系半導体層を有する半導体装置の製造方法において、基体上にAlxGa1-xNからなる第1窒化物系半導体層を形成する第1形成工程と、第1窒化物系半導体層に不純物を導入する不純物導入工程と、第1窒化物系半導体層上にAlyGa1-yNからなる第2窒化物系半導体層を形成する第2形成工程と、第2窒化物系半導体層上にAlzGa1-zNからなる第3窒化物系半導体層を形成する第3形成工程と、第3形成工程後に、第1窒化物系半導体層、第2窒化物系半導体層、および第3窒化物系半導体層に対して、熱処理を行う熱処理工程と、を含み、第2窒化物系半導体層のAl組成比yが、第1窒化物系半導体層のAl組成比xより大きく、かつ、第3窒化物系半導体層のAl組成比zよりも大きいことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a nitride-based semiconductor layer, wherein Al x Ga 1-x N is formed on a substrate. A first forming step of forming a first nitride-based semiconductor layer, an impurity introducing step of introducing an impurity into the first nitride-based semiconductor layer, and Al y Ga 1-y on the first nitride-based semiconductor layer A second forming step of forming a second nitride-based semiconductor layer made of N, and a third formation of forming a third nitride - based semiconductor layer made of Al z Ga 1-z N on the second nitride-based semiconductor layer And a heat treatment step of performing heat treatment on the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer, and the third nitride semiconductor layer after the third formation step, The Al composition ratio y of the material-based semiconductor layer is greater than the Al composition ratio x of the first nitride-based semiconductor layer. Hear, and being greater than the Al composition ratio z of the third nitride semiconductor layer.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第1窒化物系半導体層が、AlxGa1-xN(0≦x<0.5)であることを特徴とする。本発明に係る半導体装置の製造方法は、この構成において、第1窒化物系半導体層が、AlxGa1-xN(0≦x<0.2)であることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the first nitride-based semiconductor layer is Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <0.5). In this configuration, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that the first nitride-based semiconductor layer is Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <0.2).
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第2窒化物系半導体層が、AlyGa1-yN(0.5≦y≦1)であることを特徴とする。本発明に係る半導体装置の製造方法は、この構成において、第2窒化物系半導体層が、AlyGa1-yN(0.8≦y≦1)であることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the second nitride semiconductor layer is Al y Ga 1-y N (0.5 ≦ y ≦ 1). In this configuration, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that the second nitride-based semiconductor layer is Al y Ga 1-y N (0.8 ≦ y ≦ 1).
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第3窒化物系半導体層が、AlzGa1-zN(0≦z<0.5)であることを特徴とする。本発明に係る半導体装置の製造方法は、この構成において、第3窒化物系半導体層が、AlzGa1-zN(0≦z<0.2)であることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the third nitride-based semiconductor layer is Al z Ga 1-z N (0 ≦ z <0.5). In this configuration, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that the third nitride-based semiconductor layer is Al z Ga 1 -zN (0 ≦ z <0.2).
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の発明において、基体が窒化ガリウムからなる基板を有することを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the substrate has a substrate made of gallium nitride.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第2窒化物系半導体層の膜厚が、第3窒化物系半導体層が設けられない場合の単層における室温での臨界膜厚より大きいことを特徴とする。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the film thickness of the second nitride-based semiconductor layer is a critical film thickness at room temperature in a single layer when the third nitride-based semiconductor layer is not provided. It is characterized by being larger.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第3窒化物系半導体層の膜厚が50nm以上であることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the thickness of the third nitride-based semiconductor layer is 50 nm or more.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第1窒化物系半導体層、第2窒化物系半導体層、および第3窒化物系半導体層を、有機金属気相成長法により形成することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is the above invention, wherein the first nitride-based semiconductor layer, the second nitride-based semiconductor layer, and the third nitride-based semiconductor layer are formed by metal organic vapor phase epitaxy. It is characterized by doing.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の発明において、不純物導入工程が、第1窒化物系半導体層に不純物を選択的にイオン注入するイオン注入工程であることを特徴とする。本発明に係る半導体装置の製造方法は、この構成において、不純物が、マグネシウム、亜鉛、およびベリリウムからなる群のうちの少なくとも1種類を含む元素であることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the impurity introduction step is an ion implantation step of selectively ion-implanting impurities into the first nitride-based semiconductor layer. The semiconductor device manufacturing method according to the present invention is characterized in that, in this configuration, the impurity is an element including at least one kind selected from the group consisting of magnesium, zinc, and beryllium.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の発明において、熱処理における熱処理温度が、800℃以上2000℃以下であることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the heat treatment temperature in the heat treatment is 800 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の発明において、熱処理工程後において、第2窒化物系半導体層および第3窒化物系半導体層の少なくとも一部を除去する除去工程をさらに含むことを特徴とする。本発明に係る半導体装置の製造方法は、この除去工程において、第2窒化物系半導体層をウェットエッチング法により除去することを特徴とする。本発明に係る半導体装置の製造方法は、この除去工程において、第3窒化物系半導体層をドライエッチング法により除去することを特徴とする。 In the above invention, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention further includes a removing step of removing at least a part of the second nitride-based semiconductor layer and the third nitride-based semiconductor layer after the heat treatment step. Features. The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in this removing step, the second nitride semiconductor layer is removed by a wet etching method. The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in this removing step, the third nitride-based semiconductor layer is removed by a dry etching method.
本発明に係る半導体装置は、上記の発明による半導体装置の製造方法により製造されたことを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention is manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to the above invention.
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、窒化物系半導体層からの窒素抜けを防止しつつ高温での熱処理を安定してかつ効果的に行うことが可能となる。 According to the manufacturing how the semiconductor device according to the present invention, it is possible to perform heat treatment at a high temperature stable and effectively while preventing elimination of nitrogen from the nitride-based semiconductor layer.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment. Moreover, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the same or corresponding element. Furthermore, it should be noted that the drawings are schematic, and dimensional relationships between elements may differ from actual ones. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included.
(実施の形態1)
(半導体装置)
まず、本発明の実施の形態1による半導体装置について説明する。図1は、この実施の形態1における半導体装置としての縦型MOSFETの構成を示す断面図である。図1に示すように、この実施の形態1における半導体装置1は、n型不純物がドープされたn型窒化ガリウム(n−GaN)基板11と、n−GaN基板11上に例えばエピタキシャル成長法により形成され、n型不純物がドープされた第1窒化物系半導体層としてのn−AlxGa1-xN層12とを備える。なお、n−AlxGa1-xN層12の不純物濃度はn−GaN基板11よりも低いのが望ましい。また、このn−AlxGa1-xN層12のAl組成は、典型的には0以上0.5未満(0≦x<0.5)、好適には0以上0.2未満(0≦x<0.2)であり、この実施の形態1において具体的には、例えばn−GaN層である。
(Embodiment 1)
(Semiconductor device)
First, the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a vertical MOSFET as a semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, a semiconductor device 1 according to the first embodiment is formed on an n-type gallium nitride (n-GaN)
n−AlxGa1-xN層12には、選択的にp型不純物がドープされたp型ウェル領域13、p型ウェル領域13中に選択的にp型不純物がより高濃度にドープされたp+型ウェル領域14、およびp型ウェル領域13とp+型ウェル領域14との部分に選択的にn型不純物がドープされたn+型ソース領域15が形成されている。
The n-Al x Ga 1-x N layer 12 is selectively doped with a p-type impurity at a higher concentration in the p-
また、n−AlxGa1-xN層12の表面の部分において、一対のp型ウェル領域13の間にゲート電極16が設けられている。ゲート電極16は、n−AlxGa1-xN層12の表面上に、底面に例えば酸化シリコン(SiO2)などの絶縁体からなるゲート絶縁膜17を介して設けられている。また、n−AlxGa1-xN層12上には、一対のソース電極18が、ゲート電極16およびゲート絶縁膜17に対して、これらと離間しつつ挟むように設けられている。一方、n−GaN基板11の裏面にドレイン電極19が設けられている。以上の構成によって、半導体装置1においては、駆動時に上層のp型ウェル領域13からn−GaN基板11にかけてチャネルが形成される。
In addition, a
(半導体装置の製造方法)
次に、以上のように構成された実施の形態1による半導体装置1の製造方法について説明する。図2A、図2B、図2C、および図2Dはそれぞれ、この実施の形態1による半導体装置1の製造方法を説明するための被処理基板の模式図である。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 1 according to the first embodiment configured as described above will be described. 2A, FIG. 2B, FIG. 2C, and FIG. 2D are schematic views of the substrate to be processed for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 1 according to the first embodiment.
すなわち、まず、図2Aに示すように、基体としてのn−GaN基板11上に、n型不純物をドープしつつ、例えば有機金属気相成長法(MOCVD法)によりAlxGa1-xNを成長させることにより、例えばn−GaN層などのn−AlxGa1-xN層12を形成する。なお、n−GaN基板11に代えて、サファイア基板やSiC基板などを用いても良い。また、n−AlxGa1-xN層12の成長には、MOCVD法に代えて、ハライド気相成長法(HVPE法)や分子線エピタキシー法(MBE法)などを用いても良い。
That is, first, as shown in FIG. 2A, while doping an n-type impurity on an n-
次に、n−AlxGa1-xN層12に対して選択的に、p型ウェル領域13および高不純物濃度のp+型ウェル領域14を形成すべき領域に、例えばイオン注入法によって、p型不純物を順次ドープする。なお、p型不純物としては、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、および亜鉛(Zn)などからなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素が用いられる。その後、例えばイオン注入法によって、p型ウェル領域13およびp+型ウェル領域14の部分のn+型ソース領域15を形成すべき領域に、選択的に例えばシリコン(Si)などのn型不純物をドープする。
Next, the p-
次に、図2Bに示すように、n−AlxGa1-xN層12の表面に、第2窒化物系半導体層としての第1キャップ層2a、および第3窒化物系半導体層としての第2キャップ層2bを順次再成長させる。ここで、このn−AlxGa1-xN層12の表面を保護する第1キャップ層2aおよび第2キャップ層2bの材料としては、後の熱処理工程に対して好適な材料が選択される。
Next, as shown in FIG. 2B, the surface of the n-Al x Ga 1-x
具体的に第1キャップ層2aの材料としては、下層のn−AlxGa1-xN層12よりも耐熱性が高く、熱処理において剥がれが生じない程度にn−AlxGa1-xN層12との間で良好な密着性を有するとともに、n−AlxGa1-xN層12と反応しにくく、不純物も拡散しにくい緻密な材料が好ましい。そこで、この実施の形態1においては、第1キャップ層2aを構成する材料としては、下層のn−AlxGa1-xN層12のAl組成比xに比して大きいAl組成比yのAlyGa1-yNが好ましい。この場合、第1キャップ層2aを構成する材料の格子定数は、下層のn−AlxGa1-xN層12を構成する材料の格子定数より小さくなる。そして、そのAl組成比yは、典型的には0.5以上1以下(0.5≦y≦1)、好適には0.8以上1以下(0.8≦y≦1)であり、この実施の形態1においては、例えば第1キャップ層2aの材料として、Al組成比yを1とした窒化アルミニウム(AlN)を用いる。第1キャップ層2aをAlNから構成すると、下層がGaN層である場合にエッチング選択性を高くできるので、第1キャップ層2aを選択的に除去し易い点からも好ましい。
The specific material of the
また、第1キャップ層2aは、より高い表面保護効果が得られるように緻密な膜にすることを考慮すると、MOCVD法、HVPE法、またはMBE法などのエピタキシャル成長法により再成長させて形成することが望ましい。そこで、この実施の形態1においては、例えばMOCVD法により、n−AlxGa1-xN層12の表面にAlyGa1-yN層からなる保護膜としての第1キャップ層2aを形成する。ここで、このMOCVD法による第1キャップ層2aの形成においては、例えば、Al原料(トリメチルアルミニウム;TMA;Al(CH3)3)ガスとGa原料(トリメチルガリウム;TMGa;Ga(CH3)3)ガスとの少なくとも一方の原料ガス、およびアンモニア(NH3)ガスを含む混合ガスを用いる。また、第1キャップ層2aの形成における加熱温度は、後に行われる活性化アニールにおける熱処理温度(加熱温度)よりも低い温度が好ましく、具体的には例えば800〜1200℃であり、雰囲気圧力は例えば5kPa〜20kPaである。また、第1キャップ層2aの膜厚は、後に行われる活性化アニールにおいて下層のn−AlxGa1-xN層12からの窒素抜けを抑制できる膜厚にするのが望ましい。具体的に第1キャップ層2aの膜厚は、少なくとも第2キャップ層2bが設けられない単層の場合における室温での臨界膜厚、具体的には例えば3nmよりも大きい膜厚である。そして、第2キャップ層2bを後述するようにGaN層から構成し、第1キャップ層2aをAlN層から構成する場合、第1キャップ層2aの膜厚は、具体的には15nm以上、好適には30nm以上が望ましい。
Also, considering that the
また、第2キャップ層2bの材料としては、クラックが発生しやすい第1キャップ層2aに生じる応力を抑制して歪みを緩和し、第2キャップ層2bを形成しない場合に比して第1キャップ層2aを厚く形成でき、高温熱処理において剥がれが生じない程度に良好な密着性を有する材料が好ましい。そこで、この実施の形態1においては、第2キャップ層2bを構成する材料としては、下層の第1キャップ層2aを構成するAlyGa1-yN層のAl組成比yに比して小さいAl組成比zのAlzGa1-zNとする。これにより、第2キャップ層2bを構成する材料の格子定数は、第1キャップ層2aを構成する材料の格子定数より大きくなるので、第1キャップ層2aに生じる応力が抑制され、その歪みが緩和される。そして、そのAl組成比zは、典型的には0以上0.5未満(0≦y<0.5)、好適には0以上0.2未満(0≦z<0.2)であり、この実施の形態1においては、第2キャップ層2bの材料として、Al組成比zを0としたGaNを用いる。なお、第1キャップ層2aにおける応力の発生を抑制する点からは、第2キャップ層2bを構成するAlzGa1-zNは、n−AlxGa1-xN層12と同じ(x=z)、または近い(x≒z)組成であることが望ましい。
Further, as a material of the
また、第2キャップ層2bは、第1キャップ層2aに対する保護効果が得られるように緻密な膜にすることを考慮すると、MOCVD法、HVPE法、またはMBE法などのエピタキシャル成長法により形成することが望ましい。そこで、この実施の形態1においては、第1キャップ層2a上に、例えばMOCVD法によりAlzGa1-zN層からなる第2キャップ層2bを形成する。ここで、このMOCVD法による第2キャップ層2bの形成においては、例えば、Al原料(トリメチルアルミニウム;TMA;Al(CH3)3)ガスとGa原料(トリメチルガリウム;TMGa;Ga(CH3)3)ガスとの少なくとも一方の原料ガス、およびアンモニア(NH3)ガスを含む混合ガスを用いる。また、第2キャップ層2bの形成における加熱温度は、後に行われる活性化アニールにおける熱処理温度(加熱温度)よりも低い温度が好ましく、具体的には例えば800〜1200℃であり、雰囲気圧力は例えば20kPa〜50kPaである。また、第2キャップ層2bの膜厚は、第1キャップ層2aにおける応力の発生を抑制して歪みを緩和できるとともに、後に行われる活性化アニールによって第2キャップ層2bが残存する膜厚以上、具体的には例えば50nm以上とするのが望ましい。
The
以上により、被処理基板2が得られる。なお、これらの第1キャップ層2aおよび第2キャップ層2bは、それぞれ窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長させて形成したものであるので、結晶性が良好であり、活性化アニールに対する保護膜として好適に用いることができる。
Thus, the
次に、被処理基板2を加熱する熱処理工程、すなわち被処理基板2に含まれる不純物を活性化するための高温熱処理としての活性化アニールを行う。この活性化アニールは、その加熱温度が例えば800℃以上、好適には1200℃以上、より好適には1500℃以上が好ましく、上限を2000℃以下とした高温熱処理である。ここで、熱処理温度が800℃以上の場合にはn−AlxGa1-xN層12の分解が始まるので、第1キャップ層2aおよび第2キャップ層2bによる表面保護効果を確保するのが有効である。さらに、被処理基板2が載置される熱処理装置内の圧力は、例えば0.1〜1000MPa(1〜10000気圧)とするのが望ましい。以上の活性化アニールにより、n−AlxGa1-xN層12中にドープしたMg、Be、またはZnなどの不純物が活性化され、p型ウェル領域13、p+型ウェル領域14、およびn+型ソース領域15が形成される。
Next, a heat treatment step for heating the
その後、図2Cに示すように、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法により、第2キャップ層2bの少なくとも一部、好適には全部を除去する。なお、第2キャップ層2bの一部を除去する場合には、例えばフォトリソグラフィ工程によって、第2キャップ層2b上にマスク(図示せず)を形成し、このマスクをエッチングマスクとしてドライエッチングを行う。
Thereafter, as shown in FIG. 2C, at least a part, preferably all, of the
続いて、図2Dに示すように、AlxGa1-xNとAlyGa1-yNとの間において高いエッチング選択性を有する溶液を用いたウェットエッチング法により、被処理基板2から第1キャップ層2aの少なくとも一部、好適には全部を除去する。なお、第1キャップ層2aの一部を除去する場合には、例えばフォトリソグラフィ工程によって、第1キャップ層2aおよび第2キャップ層2bの少なくとも一方の層の上にマスク(図示せず)を形成し、このマスクをエッチングマスクとしてエッチングを行っても良く、第2キャップ層2bをマスクとしてエッチングを行っても良い。また、n−AlxGa1-xN層12をn−GaNから構成し、第1キャップ層2aをAlNから構成した場合においては、水酸化カリウム(KOH)水溶液を用いることによって高いエッチング選択性を確保することができる。
Subsequently, as shown in FIG. 2D, a first etching is performed from the
次に、n−AlxGa1-xN層12の上面に、例えばPECVD(Plasma Enhanced CVD)法により、例えばSiO2膜からなるゲート絶縁膜17を成長させる。このゲート絶縁膜17の膜厚は、例えば100nm程度である。なお、SiO2膜以外にも、SiNx膜、SiON膜、Al2O3膜、MgO膜、GaOx膜、GdOx膜などの絶縁膜、またはこれらのうちのいずれかを含む積層膜であっても良い。
Next, a
次に、ゲート絶縁膜17上に、例えばLPCVD法(減圧化学気相成長法)により多結晶シリコン膜を形成した後または形成する際、リン(P)や砒素(As)などのn型不純物をドーピングする。これにより、多結晶シリコン膜が導電性を示す。なお、多結晶シリコン膜へのn型不純物のドーピングは、多結晶シリコン膜の形成後にn型不純物をイオン注入するか、多結晶シリコン膜の成長中にn型不純物を成長雰囲気中に導入することによって行うことができる。ドーピングしたn型不純物は、熱処理によって活性化および多結晶シリコン膜内へ拡散される。
Next, after or when a polycrystalline silicon film is formed on the
続いて、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により、多結晶シリコン膜およびゲート絶縁膜17をパターニングすることによって、ゲート絶縁膜17およびゲート電極16の形成領域以外のn−AlxGa1-xN層12の表面を露出させる。なお、エッチング工程は、例えばRIE(反応性イオンエッチング)法やICP(誘導結合方式)−RIE法などにより行う。また、ゲート電極16としては、n型不純物がドーピングされた多結晶シリコン膜以外にも、金(Au)や白金(Pt)やニッケル(Ni)などの金属膜、またはこれらの合金膜などを用いることが可能である。
Subsequently, by patterning the polycrystalline silicon film and the
次に、露出させたn−AlxGa1-xN層12の表面に、ゲート電極16と離間させつつ挟む領域に、n−AlxGa1-xN層12に形成したn+型ソース領域15およびp+型ウェル領域14とオーミック接触する一対のソース電極18を選択的に形成する。このソース電極18としては、例えばチタン(Ti)とアルミニウム(Al)とを順次積層させたTi/Alからなる積層金属膜を用いることができる。なお、ソース電極18の構成はこれに限定されるものではなく、n+型ソース領域15およびp+型ウェル領域14とオーミック接合またはオーミック接合に近い低抵抗の接合をする導体膜であれば種々の金属材料を用いることが可能である。また、ソース電極18の構成は、n+型ソース領域15とp+型ウェル領域14とにおいて異なる構成にしてもよい。ソース電極18の形成には、リフトオフ法や選択成長法などを用いることが可能である。
Next, an n + type source formed in the n-Al x Ga 1-x N layer 12 in a region sandwiched between the surface of the exposed n-Al x Ga 1-x N layer 12 while being separated from the
次に、ソース電極18が形成されたn−AlxGa1-xN層12に対して反対側の面である、n−GaN基板11の裏面に、例えばTi/Alの積層金属膜からなるドレイン電極19を形成する。その後、素子分離を行って個片化することにより、図1に示す半導体装置1が製造される。
Next, a surface opposite to the source electrode 18 n-Al x Ga 1- x
以上説明した本発明の実施の形態1によれば、n−AlxGa1-xN層12に不純物をドープした後、保護膜としてn−AlxGa1-xN層12の材料より格子定数が小さいAlyGa1-yNからなる第1キャップ層2a、およびAlyGa1-yNより格子定数が大きいAlzGa1-zNからなる第2キャップ層2bを順次エピタキシャル成長させていることにより、n−AlxGa1-xN層12と第2キャップ層2bとの間に挟まれた第1キャップ層2aの歪みを緩和することができる。そのため、第1キャップ層2aの膜厚を、活性化アニールに対する保護膜として機能する膜厚以上、少なくとも第2キャップ層2bを設けない場合の単層における室温での臨界膜厚より大きくすることができるので、熱処理温度が高温になる活性化アニールにおいてもn−AlxGa1-xN層12に対する表面保護効果を維持でき、n−AlxGa1-xN層12からの窒素抜けを抑制することができる。したがって、半導体装置の製造において、活性化アニールを安定して効果的に行うことが可能になり、製造される半導体装置1の動作特性をより一層向上させることができる。
According to the first embodiment of the present invention described above, n-Al x Ga 1- x after doping the impurity in the N-
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2による半導体装置の製造方法について説明する。図3は、この実施の形態2による、熱処理が行われる被処理基板3を示す断面図である。
(Embodiment 2)
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the
この実施の形態2においては実施の形態1と異なり、例えばMOCVD法により、n−AlxGa1-xN層12の表面に第1キャップ層2aと第2キャップ層2bとを順次形成した後、例えばMOCVD法により、n−GaN基板11のn−AlxGa1-xN層12の積層面とは反対側の裏面に、裏面保護膜としてのAlyGa1-yNからなる第1キャップ層3aとAlzGa1-zNからなる第2キャップ層3bとを順次形成する。すなわち、n−AlxGa1-xN層12の表面とn−GaN基板11の裏面とにそれぞれ、保護膜としての第1キャップ層2a,3a、および第2キャップ層2b,3bが設けられた被処理基板3を形成する。
In the second embodiment, unlike the first embodiment, the
その後、この被処理基板3に対して、実施の形態1と同様に高温での活性化アニールを行うことにより、n−AlxGa1-xN層12にドープした不純物が活性化される。その他の半導体装置の製造方法および製造される半導体装置については、実施の形態1と同様であるので、その説明を省略する。
Thereafter, activation annealing at a high temperature is performed on the
この実施の形態2による半導体装置の製造方法によれば、実施の形態1と同様にして、第1キャップ層2aおよび第2キャップ層2bを形成した後に活性化アニールを行っているので、実施の形態1と同様の効果を得ることができるとともに、n−GaN基板11の裏面にも第1キャップ層3aおよび第2キャップ層3bを形成した状態で活性化アニールを行っていることにより、高温の熱処理によってn−GaN基板11から窒素抜けが生じるのを抑制しつつドープした不純物を活性化させることができるので、この被処理基板3を用いて製造される半導体装置の特性をより一層向上させることができる。
According to the method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, activation annealing is performed after the
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施の形態において挙げた数値、材料はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値、材料を用いても良い。 Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. For example, the numerical values and materials given in the above embodiment are merely examples, and different numerical values and materials may be used as necessary.
例えば、上述した実施の形態においては、n−AlxGa1-xN層12に対する不純物のドーピングをイオン注入法により行っているが、不純物のドーピング方法は必ずしもイオン注入法に限定されるものではなく、例えばn−AlxGa1-xN層12のエピタキシャル成長中に成長雰囲気中に不純物を導入するなどの、その他の不純物ドーピング方法を採用しても良い。
For example, in the embodiment described above, the impurity doping for n-Al x Ga 1-x
また、上述の実施の形態においては、本発明による高温熱処理を、不純物のドーピング後に行う活性化アニール、具体的にはn−AlxGa1-xN層12にドープした不純物を活性化させるための活性化アニールに適用した例について説明しているが、必ずしも活性化アニールに限定されるものではなく、ゲート酸化膜を形成した後のアニール(ポストデポジションアニール:Post Deposition Anneal;PDA)、またはメタルシンタ処理などの、その他の半導体層に対するあらゆる熱処理に適用することも可能である。 In the above-described embodiment, the high-temperature heat treatment according to the present invention is performed in the activation annealing performed after the impurity doping, specifically, to activate the impurity doped in the n-Al x Ga 1 -x N layer 12. However, the present invention is not necessarily limited to the activation annealing, and annealing after forming the gate oxide film (Post Deposition Anneal (PDA)), or It is also possible to apply to any heat treatment for other semiconductor layers such as metal sintering.
また、例えば上述の実施の形態においては、半導体装置として縦型MOSFETを例に説明しているが、半導体装置としては必ずしも縦型MOSFETに限定されるものではなく、熱処理工程を有する製造方法によって製造されるその他のトランジスタ、ダイオード、電源回路、およびインバータなどの種々の半導体装置であっても良い。 For example, in the above-described embodiment, the vertical MOSFET is described as an example of the semiconductor device. However, the semiconductor device is not necessarily limited to the vertical MOSFET, and is manufactured by a manufacturing method having a heat treatment step. Various semiconductor devices such as other transistors, diodes, power supply circuits, and inverters may be used.
また、上述の実施の形態1,2においては、n−AlxGa1-xN層12の表面、またはn−GaN基板11の裏面に積層させる保護膜を、第1キャップ層2a(3a)および第2キャップ層2b(3b)の2層としているが、必ずしも2層に限定されるものではない。すなわち、n−AlxGa1-xN層12の表面、またはn−GaN基板11の裏面のそれぞれに、第1キャップ層2a(3a)および第2キャップ層2b(3b)を組として複数組積層させて、これらの表裏面に対する保護膜とすることも可能である。また、第1キャップ層2a(3a)と第2キャップ層2b(3b)とは、大気に晒すことなく上述した減圧雰囲気下および加熱温度下において順次形成することが、クラック抑制、表面汚染防止の点から望ましい。
In the first and second embodiments described above, n-Al x Ga 1- x surface of the
また、上述の実施の形態2においては、n−AlxGa1-xN層12の表面に第1キャップ層2aと第2キャップ層2bとを順次形成した後に、n−GaN基板11の裏面に第1キャップ層3aと第2キャップ層3bとを順次形成している。しかし、必ずしもこれに限定されるものではなく、n−GaN基板11の裏面に第1キャップ層3aと第2キャップ層3bとを順次形成した後に、n−AlxGa1-xN層12の表面に第1キャップ層2aと第2キャップ層2bとを順次形成しても良い。また、第1キャップ層2aと第1キャップ層3aとを同時に形成した後、第2キャップ層2bと第2キャップ層3bとを同時に形成しても、第1キャップ層2a、第1キャップ層3a、第2キャップ層2b、および第2キャップ層3bを互いに別の工程で形成しても、第1キャップ層2aおよび第1キャップ層3aを同時に形成した後に第2キャップ層2bと第2キャップ層3bとを別の工程で形成しても、第1キャップ層2aおよび第1キャップ層3aを別の工程で形成した後に、第2キャップ層2bおよび第2キャップ層3bを同時に形成しても良い。
In the second embodiment described above, the
1 半導体装置
2,3 被処理基板
2a,3a 第1キャップ層
2b,3b 第2キャップ層
11 n型窒化ガリウム(n−GaN)基板
12 n−AlxGa1-xN層
13 p型ウェル領域
14 p+型ウェル領域
15 n+型ソース領域
16 ゲート電極
17 ゲート絶縁膜
18 ソース電極
19 ドレイン電極
1
Claims (17)
基体上にエピタキシャル成長法によりAlxGa1-xNからなる第1窒化物系半導体層を形成する第1形成工程と、
前記第1窒化物系半導体層に不純物を導入する不純物導入工程と、
前記第1窒化物系半導体層上にエピタキシャル成長法によりAlyGa1-yNからなる第2窒化物系半導体層を形成する第2形成工程と、
前記第2窒化物系半導体層上にエピタキシャル成長法によりAlzGa1-zNからなる第3窒化物系半導体層を形成する第3形成工程と、
前記第3形成工程後に、前記第1窒化物系半導体層、前記第2窒化物系半導体層、および前記第3窒化物系半導体層に対して、1500℃以上の熱処理温度で熱処理を行う熱処理工程と、を含み、
前記第2窒化物系半導体層のAl組成比yが、前記第1窒化物系半導体層のAl組成比xより大きく、かつ、前記第3窒化物系半導体層のAl組成比zよりも大きく、
前記第2窒化物系半導体層の膜厚が、前記第3窒化物系半導体層が設けられない場合の単層における室温での臨界膜厚より大きい
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device having a nitride-based semiconductor layer,
A first forming step of forming a first nitride-based semiconductor layer made of Al x Ga 1-x N on a substrate by an epitaxial growth method;
An impurity introduction step of introducing impurities into the first nitride-based semiconductor layer;
A second forming step of forming a second nitride-based semiconductor layer made of Al y Ga 1-y N on the first nitride-based semiconductor layer by an epitaxial growth method;
A third forming step of forming a third nitride-based semiconductor layer made of Al z Ga 1-z N by epitaxial growth on the second nitride-based semiconductor layer;
Carried out after the third formation step, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer and for the third nitride semiconductor layer, a heat treatment at 1 5 00 ° C. above the heat treatment temperature A heat treatment step,
An Al composition ratio y of the second nitride semiconductor layer is greater than an Al composition ratio x of the first nitride semiconductor layer and greater than an Al composition ratio z of the third nitride semiconductor layer;
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the thickness of the second nitride-based semiconductor layer is larger than the critical thickness at room temperature in a single layer when the third nitride-based semiconductor layer is not provided.
基体上にエピタキシャル成長法によりAlxGa1-xNからなる第1窒化物系半導体層を形成する第1形成工程と、
前記第1窒化物系半導体層に不純物を導入する不純物導入工程と、
前記第1窒化物系半導体層上にエピタキシャル成長法によりAlyGa1-yNからなる第2窒化物系半導体層を形成する第2形成工程と、
前記第2窒化物系半導体層上にエピタキシャル成長法によりAlzGa1-zNからなる第3窒化物系半導体層を形成する第3形成工程と、
前記第3形成工程後に、前記第1窒化物系半導体層、前記第2窒化物系半導体層、および前記第3窒化物系半導体層に対して、1500℃以上の熱処理温度で熱処理を行う熱処理工程と、を含み、
前記第2窒化物系半導体層のAl組成比yが、前記第1窒化物系半導体層のAl組成比xより大きく、かつ、前記第3窒化物系半導体層のAl組成比zよりも大きく、
前記第3窒化物系半導体層の膜厚が50nm以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device having a nitride-based semiconductor layer,
A first forming step of forming a first nitride-based semiconductor layer made of Al x Ga 1-x N on a substrate by an epitaxial growth method;
An impurity introduction step of introducing impurities into the first nitride-based semiconductor layer;
A second forming step of forming a second nitride-based semiconductor layer made of Al y Ga 1-y N on the first nitride-based semiconductor layer by an epitaxial growth method;
A third forming step of forming a third nitride-based semiconductor layer made of Al z Ga 1-z N by epitaxial growth on the second nitride-based semiconductor layer;
Carried out after the third formation step, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer and for the third nitride semiconductor layer, a heat treatment at 1 5 00 ° C. above the heat treatment temperature A heat treatment step,
An Al composition ratio y of the second nitride semiconductor layer is greater than an Al composition ratio x of the first nitride semiconductor layer and greater than an Al composition ratio z of the third nitride semiconductor layer;
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the third nitride-based semiconductor layer has a thickness of 50 nm or more.
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